DE69635587T2 - ULTRASONIC DEVICE FOR FIXING BONE PROPERTIES - Google Patents
ULTRASONIC DEVICE FOR FIXING BONE PROPERTIES Download PDFInfo
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Description
GEBIET DER ERFINDUNGAREA OF INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung von mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen sowie eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der mechanischen Eigenschaften von Knochen und der Knochengüte.The The present invention relates generally to a device for destructive Measurement of mechanical properties of materials as well as a Nondestructive device Measurement of mechanical properties of bone and bone quality.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Es ist in der Technik bekannt, dass die Geschwindigkeit einer Schallwelle in einem Werkstoff von den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs abhängt. Dieses Phänomen wird z. B. beschrieben durch C. H. Hastings und S. W. Carter in einem Artikel mit dem Titel "Inspection, Processing and Manufacturing Control of Metal by Ultrasonic Methods", Symposium zur Ultraschallprüfung, 52. Jahrestagung der amerikanischen Gesellschaft für Werkstoffprüfung, 28. Juni 1949, S. 16–47.It It is known in the art that the speed of a sound wave in a material of the mechanical properties of the material depends. This phenomenon is z. As described by C.H. Hastings and S.W. Carter in an article entitled "Inspection, Processing and Manufacturing Control of Metal by Ultrasonic Methods, Symposium on Ultrasonic Testing, 52. Annual Meeting of the American Society for Materials Testing, 28. June 1949, p. 16-47.
Die US-Patente 3.720.098, 3.228.232, 3.288.241, 3.372.163, 3.127.950, 3.512.400, 4.640.132, 4.597.292 und 4.752.917 beschreiben den Stand der Technik bei der zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall.The U.S. Patents 3,720,098, 3,228,232, 3,288,241, 3,372,163, 3,127,950, 3.512.400, 4.640.132, 4.597.292 and 4.752.917 describe the state the technique of non-destructive exam by ultrasound.
Eine
Schallwelle, die unter einem Winkel auf einen unendlichen Halbfestkörper trifft,
wird sich typischerweise durch den Festkörper und an diesem entlang
in Form von drei Wellen ausbreiten, und zwar als longitudinale,
transversale und Oberflächenwellen,
wobei jede Welle eine andere Geschwindigkeit besitzt. Wie durch
Hastings und Carter beschrieben wurde, besitzen die drei Wellen
die folgenden Geschwindigkeiten:
Bei
der Ultraschallmessung des Zustands von Knochen wird typischerweise
lediglich die Geschwindigkeit der longitudinalen Welle verwendet.
In einem Artikel mit dem Titel "Osteoporotic
Bone Fragility: Detection by Ultrasound Transmission Velocity", R. P. Heaney u.
a., JAMA, Bd. 261, Nr. 20, 26. Mai 1989, S. 2986–2990, ist das Young-Modul
E von Knochen empirisch angegeben als:
Die
Geschwindigkeit der longitudinalen Schallwelle in dem Knochen ist
angegeben als:
Die
folgenden Artikel erläutern
ebenfalls die Ultraschallmessung des Knochenzustands sowohl im lebenden
Organismus (in-vivo) als auch im präparierten Organismus (in-vitro):
"Measurement of the
Velocity of Ultrasound in Human Cortical Bone In Vivo", M. A. Greenfield
u. a., Radiology, Bd. 138, März
1981, S. 701–710;
und
"Combined
2,25 MHz ultrasound velocity and bone mineral density measurements
in the equine metacarpus and their in vivo applications", R. N. McCartney
and L. B. Jeffcott, Medical and Biological Engineering and Computation,
Bd. 25, 1987, Nov. 1877, S. 620–626.The following articles also explain the ultrasound measurement of the bone condition both in the living organism (in vivo) and in the prepared organism (in vitro):
"Measurement of the Velocity of Ultrasound in Human Cortical Bone In Vivo", MA Greenfield et al., Radiology, Vol. 138, March 1981, pp. 701-710; and
"Combined 2.25 MHz ultrasound velocity and bone mineral density measurements in the equine metacarpus and their in vivo applications", RN McCartney and LB Jeffcott, Medical and Biological Engineering and Computation, Vol. 25, 1987, Nov. 1877, p. 620 -626.
Um am lebenden Organismus Ultraschallmessungen der mechanischen Eigen schaften des Knochens auszuführen, muss eine Ultraschallwelle durch das den Knochen umgebende Weichgewebe übertragen werden. Die Dicke des Weichgewebes ändert sich leider über die Länge des Knochens. Diese Dickenänderung kann die Genauigkeit der Messung der Ultraschallausbreitungszeit beeinflussen. In den oben erwähnten Artikeln wird die Dicke des Weichgewebes entweder ignoriert oder es wird versucht, die Wirkungen des Weichgewebes aufzuheben. In den Artikeln, die In-vitro-Experimente (Experimente am präparierten Organismus) beschreiben, ist das Weichgewebe von Knochen entfernt.Around on the living organism ultrasonic measurements of the mechanical properties of the bone, must transmit an ultrasonic wave through the soft tissue surrounding the bone become. The thickness of the soft tissue unfortunately changes over the Length of the Bone. This change in thickness can affect the accuracy of the ultrasonic propagation time measurement. In the above mentioned Articles, the thickness of the soft tissue is either ignored or an attempt is made to neutralize the effects of soft tissue. In the articles that prepared in-vitro experiments (experiments on Organism), the soft tissue is removed from bone.
Die russischen Patente 1.420.383, 1.308.319, 1.175.435, 1.324.479, 1.159.556 und 1.172.534 und die US-Patente 2.926.870, 4.361.154, 4.774.959, 4.421.119, 4.941.474, 3.847.141, 4.913.157 und 4.930.511 beschreiben verschiedene Systeme zum Messen der Festigkeit von Knochen anhand der Geschwindigkeit VL. Dieses Systeme besitzen typischerweise einen Ultraschallsignal-Sender und wenigstens einen Ultraschallsignal-Empfänger.Russian Patents 1,420,383, 1,308,319, 1,175,435, 1,324,479, 1,159,556 and 1,172,534, and U.S. Patents 2,926,870, 4,361,154, 4,774,959, 4,421,119, 4,941,474 , 3,847,141, 4,913,157 and 4,930,511 describe various systems for measuring the strength of bones based on velocity V L. These systems typically have an ultrasonic signal transmitter and at least one ultrasonic signal receiver.
In den russischen Patenten 1.420.383, 1.308.319 und 1.175.435 wird versucht, das Problem der unbekannten Dicke des Weichgewebes zu lösen, indem Werte der Dicke des Weichgewebes in dem Bereich der Messung angenommen werden oder indem angenommen wird, dass die Dickenänderung über den Abstand zwischen den beiden Ultraschallempfängern gering ist.In Russian patents 1.420.383, 1.308.319 and 1.175.435 trying to solve the problem of unknown thickness of soft tissue to solve, by taking values of the thickness of the soft tissue in the range of measurement or by assuming that the thickness change over the Distance between the two ultrasonic receivers is low.
Im russischen Patent 1.342.279 werden zwei Empfänger und ein einzelner Sender verwendet und es wird eine durchschnittliche Gruppengeschwindigkeit durch den Knochen anhand des Abstands zwischen den beiden Empfängern berechnet.in the Russian patent 1,342,279 will be two receivers and a single transmitter used and it becomes an average group speed calculated by the bone based on the distance between the two receivers.
Im russischen Patent 1.159.556 werden Zonen eines Knochens definiert und der Zustand eines Knochens wird durch die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Amplitude des gemessenen Ultraschallsignals bestimmt, wobei unterschiedliche Zonen unterschiedliche Geschwindigkeiten besitzen. Es scheint, dass diese Messung an einem operativ entfernten Knochen ausgeführt wird.in the Russian patent 1,159,556 defines zones of a bone and the condition of a bone is determined by the difference between the maximum and the minimum amplitude of the measured ultrasonic signal determined, with different zones different speeds have. It seems that this measurement is on a surgically removed Executed bones becomes.
Im russischen Patent 1.172.534 wird ein System beschrieben, bei dem das Ultraschallsignal eines gesunden Knochens mit dem eines kranken Knochens verglichen wird und aus dem Vergleich eine Diagnose des Umfangs der Erkran kung in dem kranken Knochen abgeleitet wird.in the Russian Patent 1,172,534 describes a system in which the ultrasonic signal of a healthy bone with that of a sick one Bone is compared and from the comparison a diagnosis of the scope the disease is derived in the diseased bone.
In den US-Patenten 4.926.870, 4.421.119 und 3.847.141 werden Systeme beschrieben, bei denen ein Empfänger und ein Sender an gegenüberliegenden Seiten eines Knochens angeordnet werden. Im US-Patent 4.926.870 wird außerdem ein resultierendes Signal mit einer kanonischen Signalform verglichen, um den Gesundheitszustand des Knochens zu klassifizieren.In U.S. Patents 4,926,870, 4,421,119, and 3,847,141 describe systems described in which a receiver and a transmitter on opposite Sides of a bone can be arranged. In U.S. Patent 4,926,870 will also comparing a resultant signal with a canonical waveform, to classify the state of health of the bone.
In den US-Patenten 4.913.157, 4.774.959 und 4.941.474 werden Systeme beschrieben, bei denen ein Ultraschallsignal mit einem Frequenzspektrum ausgesendet wird.In U.S. Patents 4,913,157, 4,774,959 and 4,941,474 describe systems described in which an ultrasonic signal with a frequency spectrum is sent out.
Im US-Patent 4.930.511 wird ein System beschrieben, das um einen genormten leblosen homogenen Werkstoff mit bekannten akustischen Eigenschaften angeordnet wird, bevor es um einen Knochen angeordnet wird.in the U.S. Patent 4,930,511 describes a system that is standardized Lifeless homogeneous material with known acoustic properties is placed before it is placed around a bone.
Im
US-Patent 5.143.072, dessen Offenbarung hier durch Literaturhinweis
eingeschlossen ist, wird ein Verfahren zum Überwinden der Einflüsse der
unbekannten Dicke des dazwischenliegenden Weichgewebes beschrieben.
Selbst
dieses Verfahren besitzt jedoch mehrere ernsthafte Nachteile. Erstens
ist die Weichgewebe-Geschwindigkeit keine Konstante, sondern sie ändert sich
mit dem Typ des Weichgewebes. Da die Ausbreitungswege
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION
Es ist eine Aufgabe von einigen Aspekten der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen, das eine hohe Auflösung besitzt, zu schaffen. Außerdem kann ein kleiner Abschnitt des Knochens gemessen werden, so dass nahezu alle Knochen des menschlichen Körpers unter Verwendung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemessen werden können.It is an object of some aspects of the present invention, a method for determining the speed of sound of bones, that a high resolution owns, to create. Furthermore a small section of the bone can be measured so that almost all bones of the human body using a preferred embodiment of the present invention can be measured.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden ein Sender und ein Empfänger einem Knochen zugewandt auf der Haut eines Pa tienten angeordnet. Die Schallgeschwindigkeit in einem Knochen wird gemessen durch:
- (1) Senden eines ersten Ultraschallsignals längs eines Übertragungsweges von dem Sender durch das den Knochen umgebende Weichgewebe zu dem Knochen, längs der Oberfläche des Knochens und durch das Weichgewebe zurück zum Empfänger;
- (2) Messen der Ausbreitungszeit des schnellsten Signals zwischen dem Sender und dem Empfänger; und
- (3) Berechnen der Schallgeschwindigkeit des Knochens anhand des Abstands zwischen dem Sender und dem Empfänger, der Dicke des Weichgewebes und der Schallgeschwindigkeit in dem Weichgewebe.
- (1) transmitting a first ultrasonic signal along a transmission path from the transmitter through the soft tissue surrounding the bone to the bone, along the surface of the bone and through the soft tissue back to the receiver;
- (2) measuring the propagation time of the fastest signal between the transmitter and the receiver; and
- (3) Calculate the speed of sound of the bone based on the distance between the transmitter and the receiver, the thickness of the soft tissue and the speed of sound in the soft tissue.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Berechnen sowohl der Schallgeschwindigkeit in dem Weichgewebe als auch seiner Dicke verwendet reflektierte Wellen. Ein Sender und ein Sender/Empfänger werden in einem bekannten Abstand voneinander auf der Haut angeordnet, so dass der schnellste Weg vom Sender zum Sender/Empfänger nicht durch den Knochen verläuft. Das schnellste Signal wird statt dessen von einem Punkt auf dem Knochen zum Sender/Empfänger reflektiert. Es sollte angemerkt werden, dass der Abstand zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger sehr gering sein kann. Die Ausbreitungszeiten eines Signals, das von dem Sender zum Sender/Empfänger gesendet wird, und eines Signals, das von dem Sender/Empfänger gesendet wird und durch den Knochen wieder zum gleichen Sender/Empfänger reflektiert wird, werden gemessen.One preferred method of calculating both the speed of sound reflected in the soft tissue as well as its thickness Waves. A transmitter and a transmitter / receiver are in a known Spaced apart on the skin, making the fastest Way from transmitter to transmitter / receiver does not pass through the bone. Instead, the fastest signal is from a point on the Bone to the transmitter / receiver reflected. It should be noted that the distance between the Transmitter and the transmitter / receiver can be very low. The propagation times of a signal generated by the transmitter to the transmitter / receiver is sent, and a signal sent by the transceiver and reflected back to the same transmitter / receiver through the bone will be measured.
Ein rechtwinkliges Dreieck wird aus den folgenden drei Linienabschnitten gebildet:
- (a) eine erste Seite s1, die die kürzeste Linie ist und den Sender und den Knochen verbindet;
- (b) eine zweite Seite s2, die eine Linie ist, die am Sender/Empfänger beginnt und sich über die Hälfte des Abstands zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger erstreckt; und
- (c) eine Hypotenuse H, die die Linie zwischen dem Sender und dem Signalreflexionspunkt auf dem Knochen ist.
- (a) a first side s 1 , which is the shortest line and connects the transmitter and the bone;
- (b) a second side s 2 , which is a line beginning at the transceiver and extending over half the distance between the transmitter and the transceiver; and
- (c) a hypotenuse H, which is the line between the transmitter and the signal reflection point on the bone.
Unter der Annahme, dass die Dicke des Weichgewebes unter dem Sender gleich der Dicke unter dem Sender/Empfänger ist, besitzt s1 die gleiche Länge wie der Abstand zwischen dem Sender/Empfänger und den Knochen. Es kann außerdem angenommen werden, dass die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes längs aller gemessenen Wege gleich ist, da sich sehr nahe beieinander liegen. Deswegen ist das Verhältnis zwischen der ersten Seite und der Hypotenuse gleich dem Verhältnis zwischen den gemessenen Ausbreitungszeiten. Die Länge der zweiten Seite wird leicht berechnet durch die bekannte Formel: s1 2 + s2 2 = H2. Da die Längen s1, s2 und H tatsächlich als Zeiten ausgedrückt werden, ist s2 tatsächlich die Zeit, die das Signal benötigen würde, sich über die Hälfte der bekannten Strecke zwischen dem Sender und dem Sender/Empfänger zu bewegen, wenn der Weg im Weichgewebe verlaufen würde. Dadurch wird die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes bestimmt. Die Dicke des Weichgewebes wird nun leicht bestimmt unter Verwendung der gemessenen Ausbreitungszeit von dem Sender/Empfänger zum Knochen und zurück.Assuming that the thickness of the soft tissue under the transmitter is equal to the thickness below the sender Transmitter / receiver, s 1 has the same length as the distance between the transmitter / receiver and the bones. It can also be assumed that the average sound velocity of the soft tissue along all the measured paths is the same, because they are very close to each other. Therefore, the ratio between the first side and the hypotenuse is equal to the ratio between the measured propagation times. The length of the second side is easily calculated by the known formula: s 1 2 + s 2 2 = H 2 . In fact, since the lengths s 1 , s 2, and H are expressed as times, s 2 is actually the time that the signal would take to travel over half the known distance between the transmitter and the transceiver when the path in soft tissue. This determines the speed of sound of the soft tissue. The thickness of the soft tissue is now easily determined using the measured propagation time from the transmitter / receiver to the bone and back.
Alternativ werden andere Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Dicke verwendet. Es wird z. B. ein Röntgenbild verwendet, um die Dicke zu bestimmen, und die Geschwindigkeit wird durch Messen der Zeit bestimmt, die ein Signal benötigt, um sich von einem Sender/Empfänger zum Knochen und zurück längs des Messweges auszubreiten.alternative Other methods for determining speed and thickness used. It is z. B. an X-ray image used to determine the thickness, and the speed becomes determined by measuring the time it takes a signal to from a sender / receiver to the bone and back along the Spread out.
Die Dicke wird vorzugsweise an dem Punkt gemessen, an dem das Signal vom Sender zum Empfänger in den Knochen eintritt. Zusätzlich oder alternativ wird die Dicke des Weichgewebes an dem Punkt gemessen, an dem das Signal vom Sender zum Sender/Empfänger von dem Knochen reflektiert wird.The Thickness is preferably measured at the point where the signal from the transmitter to the receiver enters the bones. additionally or alternatively, the thickness of the soft tissue is measured at the point where the signal from the transmitter to the transmitter / receiver reflects off the bone becomes.
Die Wege des Signals vom Sender zum Sender/Empfänger überlappen vorzugsweise den Weg des Signals vom Sender zum Empfänger.The Ways of the signal from the transmitter to the transmitter / receiver preferably overlap the Path of the signal from the transmitter to the receiver.
Es sollte anerkannt werden, dass die bevorzugten Ausführungsformen an Stelle bei der Abbildung von menschlichem oder tierischem Fleisch zum Analysieren von Holz, Kunststoff, Metall und Verbundwerkstoffen, die mit einer äußeren. Beschichtung aus einem anderen Werkstoff überzogen sind, verwendet werden können.It It should be recognized that the preferred embodiments instead of depicting human or animal meat for analyzing wood, plastic, metal and composite materials, the with an outer one. coating made of a different material are, can be used.
Es sollte anerkannt werden, dass die oben beschriebenen Verfahren zum Bestimmen von Geschwindigkeit und Dicke von Weichgewebe außerdem nützlich sind bei der Verbesserung der Genauigkeit von Verfahren, die Stand der Technik sind, zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen.It It should be recognized that the procedures described above for Determining speed and thickness of soft tissue are also useful in improving the accuracy of procedures, the state of the art Technique are to determine the speed of sound of bones.
Eine typische Auflösung, die unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen ist kleiner als 1 Zentimeter, typischerweise kleiner als 0,5 Zentimeter und vorzugsweise kleiner als 3 Millimeter.A typical resolution, using the method described above for determining the Speed of sound of bones is less than 1 centimeter, typically less than 0.5 centimeters, and preferably smaller than 3 millimeters.
Die oben erwähnten Sender und Empfänger sind vorzugsweise in einem Sensor angebracht, der eine lange Achse und eine kurze Achse besitzt. Der Sensor wird typischerweise längs seiner langen Achse gekippt, während mehrere Messungen ausgeführt werden. Bevorzugte Messungen der Knochengeschwindigkeit werden ausgeführt, wenn die Dicken der Weichgewebeabschnitte, die unter dem Sender bzw. unter dem Empfänger liegen, gleich sind, selbst wenn die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit nicht gleich ist.The mentioned above Sender and receiver are preferably mounted in a sensor having a long axis and has a short axis. The sensor is typically along its tilted long axis while carried out several measurements become. Preferred measurements of bone velocity are performed when the thicknesses of the soft tissue sections under the transmitter or under the receiver are equal, even if the average speed of sound is not the same.
Zusätzlich oder alternativ wird der Sensor längs seiner kurzen Achse gekippt, während mehrere Messungen ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die Abhängigkeit der bestimmten Schallgeschwindigkeit des Knochens von dem Kippwinkel bestimmt. Typischerweise wird die maximale bestimmte Geschwindigkeit als die repräsentative Schallgeschwindigkeit verwendet.Additionally or Alternatively, the sensor is longitudinal tilted his short axis while carried out several measurements become. Preferably, the dependence of the specific speed of sound of the bone determined by the tilt angle. Typically, the maximum certain speed than the representative speed of sound used.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren geschaffen, um durch ein eingefügtes Medium die Dicke eines Festkörpers zu bestimmen, wobei das Verfahren umfasst: Senden einer Breitband-Ultraschallwelle längs eines Weges von einem ersten Ort durch das Medium und längs der Oberfläche des Festkörpers, Empfangen der Welle an einem zweiten Ort und Analysieren der empfangenen Welle, um die Differenz zwischen der Ausbreitungszeit der hochfrequenten Komponente der Welle und der Ausbreitungszeit der niederfrequenten Komponente der Welle zu bestimmen.According to one preferred embodiment The present invention also provides a method by an inserted Medium the thickness of a solid determining, the method comprising: transmitting a broadband ultrasonic wave along a Away from a first place through the medium and along the surface of the solid, Receive the wave at a second location and analyze the received Wave to the difference between the propagation time of the high-frequency Component of the wave and the propagation time of the low-frequency Determine component of the wave.
Es werden Vorrichtungen und Verfahren in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 1–52 geschaffen.It Apparatuses and methods are provided in accordance with claims 1-52.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSUMMARY THE DRAWING
Die Erfindung wird vollständiger verstanden aus der folgenden genauen Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung mit der Zeichnung erfolgt, in der:The Invention becomes more complete understood from the following detailed description of their preferred Embodiments, which takes place in conjunction with the drawing, in which:
die
die
die
die
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENPRECISE DESCRIPTION THE PREFERRED EMBODIMENTS
Das
Verfahren zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
die Bestimmung der Geschwindigkeit im Weichgewebe.
Wenn
ein Abstand D4044 zwischen Sender
Die
Schallgeschwindigkeit im Knochen
D64 und T64 ergeben
sich aus:
Somit ist V18:Thus V 18 is :
Eine Lösung der simultanen Gleichungen (5)–(12) ergibt V18.A solution of the simultaneous equations (5) - (12) yields V 18 .
Eine
Schätzung
von H40, H44 und
V22 ist jedoch nicht sehr genau, insbesondere
da V22 sich als eine Funktion des Abstands
vom Knochen
- (a) Schätzen des Brewster-Winkels; und
- (b) Anordnen des Sender/Empfängers
42 an einem Ort, an dem ein Reflexionswinkel Rf, der der Winkel zwischen dem Segment46 und einer Senkrechten zum Knochen18 ist, kleiner als der Brewster-Winkel ist. Es ist in der Technik bekannt, dass dort, wo der Einfallswinkel kleiner als der Brewster-Winkel oder gleich diesem ist, der schnellste Weg nicht durch den Knochen18 verläuft, sondern lediglich von ihm reflektiert wird.
- (a) estimating the Brewster angle; and
- (b) Arrange the transceiver
42 in a place where a reflection angle R f , which is the angle between the segment46 and a perpendicular to the boneeighteen is less than the Brewster angle. It is known in the art that where the angle of incidence is less than or equal to the Brewster angle, the fastest path is not through the boneeighteen runs, but is only reflected by him.
Zuerst
wird V22 gemessen. Ein Signal wird vom Sender
-
(a) der Linie, die den Sender
40 und den Sender/Empfänger42 verbindet und eine Länge D4042 besitzt;(a) the line that the transmitter40 and the transceiver42 connects and has a length D 4042 ; -
(b) dem Segment
46 , das eine Länge D46 besitzt; und(b) the segment46 having a length D 46 ; and -
(c) dem Segment
48 , das eine Länge D48 besitzt.(c) the segment48 which has a length D 48 .
Unter
der Annahme, dass die Dicke des Gewebes
Wird
angenommen, dass der durchschnittliche Wert von V22 längs der
Segmente
Durch Anwenden einer bekannten Beziehung zwischen den Seiten und der Höhe eines gleichschenkligen Dreiecks ergibt sich:By Apply a known relationship between the pages and the height of a page isosceles triangle results:
Durch Lösen der Gleichung 16 unter Verwendung der Gleichungen 14 und 15 und unter Verwendung der Gleichheit zwischen T48 und T46 ergibt sich:By solving equation 16 using equations 14 and 15 and using equality between T 48 and T 46, we obtain:
Da jedoch T50, T48 und D4042 bekannt sind, ergibt sich:However, since T 50 , T 48 and D 4042 are known, it follows:
Es sollte angemerkt werden, dass der oben berechnete Wert V22 ein Durchschnittswert längs des tatsächlichen Weges des Signals ist, d. h. er enthält die gewichteten Werte sowohl der Geschwindigkeit im Fettgewebe als auch der Geschwindigkeit im Muskelgewebe.It should be noted that the value V 22 calculated above is an average value along the actual path of the signal, ie it contains the weighted values of both the velocity in adipose tissue and the velocity in muscle tissue.
Es
wird angenommen, dass H44 gleich H40 (das gleich D50 ist)
ist. Dadurch gilt:
Wenn
eine größere Genauigkeit
gefordert wird oder um Störungen
zu verringern, wird V22 ein zweites Mal
berechnet unter Verwendung der Signalausbreitungszeit zwischen dem
Sender/Empfänger
Alternativ
zu dem oben beschriebenen Verfahren zum Messen von V22,
H40 und H44 können andere Verfahren
verwendet werden. H40 und H44 können z.
B. auf einem Röntgenbild
oder einer anderen medizinischen Darstellung gemessen werden. V22 wird dann anhand der Signalausbreitungszeit
der Reflexion vom Knochen
Die
V22 und die Dicke des Weichgewebes
Der
Sender/Empfänger
Der
minimal erforderliche Abstand der Wellenausbreitung in dem Knochen
bei Verwendung dieses Verfahrens beträgt etwa 2–3 Millimeter. Der Abstand
zwischen dem Sender
Eine bevorzugte Betriebsfrequenz liegt zwischen 250 und 1500 kHz. Es sollte angemerkt werden, dass höhere Frequenzen als die im Stand der Technik verwendeten Frequenzen trotz der stärkeren Dämpfung von hochfrequenten Schallwellen im Knochen verwendet werden können, da die Strecken, die sich die Signale im Knochen fortbewegen, kurz sind. Höhere Frequenzen ergeben im Allgemeinen genauere Ergebnisse als niedrigere Frequenzen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt die Betriebsfrequenz vorzugsweise über 2 MHz, wobei ein Wert über 5 MHz stärker bevorzugt ist und in einigen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die bevorzugte Betriebsfrequenz größer als 10 MHz ist. Die Welle ist vorzugsweise impulsförmig bei einer Dauer zwischen 2 und 250 Millisekunden.A preferred operating frequency is between 250 and 1500 kHz. It It should be noted that higher Frequencies as the frequencies used in the prior art despite the stronger one Damping of High-frequency sound waves in the bone can be used there the stretches that move the signals in the bone, short are. higher Frequencies generally give more accurate results than lower ones Frequencies. In some preferred embodiments of the present invention Invention, the operating frequency is preferably above 2 MHz, where a value is over 5 MHz stronger is preferred and in some preferred embodiments of the present Invention, the preferred operating frequency is greater than 10 MHz. The wave is preferably pulsed for a duration between 2 and 250 milliseconds.
Die verwendete Wellenform ist vorzugsweise eine impulsförmige Welle mit einer einzigen Frequenz, da der einzige Aspekt der analysierten Welle der Zeitpunkt des ersten Empfangs eines Signals ist. Alternativ werden andere komplexere Wellenformen verwendet und die empfangenen Signale werden analysiert.The used waveform is preferably a pulse-shaped wave with a single frequency, as the only aspect of the analyzed Wave is the time of the first reception of a signal. Alternatively other more complex waveforms are used and the received signals will be analyzed.
Der
Sender
Wenn
der Sender
Es sollte erkannt werden, dass die zwei Schritte des oben beschriebenen Prozesses in beliebiger Reihenfolge oder auch gleichzeitig ausgeführt werden können. Für jedes Signal werden vorzugsweise unterschiedliche Frequenzen verwendet. Es sollte erkannt werden, dass der verwendete Ultraschallsender und der verwendete Ultraschallempfänger typischerweise eine sehr große Bandbreite besitzen. Dadurch werden mehrere Wellenlängen ausgesendet und jeder Empfänger verarbeitet seine ankommenden Signale, um spezielle Frequenzen auszufiltern und zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich werden die Impulse zeitlich gesteuert, so dass an einem einzelnen Empfänger nie zwei Impulse gemeinsam ankommen.It should be recognized that the two steps of the above Process in any order or run concurrently can. For each Signal preferably different frequencies are used. It should be recognized that the ultrasonic transmitter used and the ultrasonic receiver used is typically a very size Own bandwidth. As a result, several wavelengths are emitted and every receiver processes its incoming signals to filter out specific frequencies and capture. Alternatively or additionally, the pulses are timed controlled so that at a single receiver never has two pulses in common Arrive.
Der
Sender
Ein
Drei-Element-Sensor, wie etwa der unter Bezugnahme auf die
Es sollte erkannt werden, dass der Abstand zwischen den Ultraschallelementen für eine bestimmte erwartete Tiefe des Weichgewebes optimiert werden kann. Deswegen umfasst ein typisches Betriebssystem mehrere Sensoren, die jeweils für einen unterschiedlichen Bereich der Tiefe geeignet sind. Alternativ wird ein einzelner Sensor des Gittertyps, der nachfolgend beschrieben wird, verwendet.It should be recognized that the distance between the ultrasonic elements for one certain expected depth of soft tissue can be optimized. Because of this, a typical operating system includes multiple sensors, each for a different range of depth are suitable. alternative becomes a single sensor of the lattice type described below is used.
Der
Sensor ist typischerweise nicht in der Weise konstruiert, dass er
einen exakten Abstand zwischen den Ultraschallelementen besitzt.
Der Sensor ist statt dessen mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Millimeter konstruiert
und die exakten Abstände
zwischen den Elementen werden unter Verwendung eines Hilfskörpers gemessen.
Die Messergebnisse, die eine typische Genauigkeit von über 2 μm besitzen,
werden in der Steuereinheit
Die
Schallgeschwindigkeit von Knochen ist typischerweise in unterschiedlichen Abschnitten
des Knochens verschieden. Um zwei Ergebnisse der Schallgeschwindigkeit
von Knochen aus zwei unterschiedlichen Messvorgängen in geeigneter Weise miteinander
zu vergleichen, müssen
deswegen die Messungen am gleichen Abschnitt des Knochens ausgeführt werden.
Die Lagegenauigkeit längs
der longitudinalen Achse des Knochens sollte im Einzelnen bei langen
Knochen, wie etwa das Schienenbein, in der Größenordnung von 5 Millimetern
liegen. Diese Genauigkeit kann bei Verwendung von normalen Positionierungsverfahren
einfach erreicht werden, wie etwa die Markierung des Orts mit einem
dauerhaften Markierungspunkt. Die Positionierungsverfahren in der
Querrichtung muss jedoch in der Größenordnung von 100 Mikrometern
liegen. Da diese Genauigkeit schwer zu erreichen ist, wird der Sensor
vorzugsweise auf einer Kippeinrichtung angebracht, so dass der Sender
Es sollte erkannt werden, dass bei einigen Knochen, wie etwa der Wirbelknochen, das Messen der weicheren Abschnitte einfacher ist als das Messen der härteren Abschnitte und somit die Suche nach der minimalen Geschwindigkeit. Die minimale bestimmte Geschwindigkeit liegt typischerweise in dem weichsten Abschnitt. Eine minimale bestimmte Geschwindigkeit, die zu einem späteren Zeitpunkt gefunden wird, liegt ebenfalls in dem weichsten Abschnitt, deswegen wird die Geschwindigkeitsmessung an dem gleichen transversalen Ort (gleicher Abschnitt) wiederholt.It it should be recognized that in some bones, such as the vertebral bone, Measuring the softer sections is easier than measuring the harder one Sections and thus the search for the minimum speed. The minimum certain speed is typically in the softest section. A minimum certain speed that for a later Is found in the softest section, therefore, the speed measurement becomes at the same transverse location (same section) repeated.
Außerdem und
zusätzlich
werden die erfassten Geschwindigkeitsmessungen verwendet, um ein transversales
Geschwindigkeitsprofil des Knochens
Die
Außerdem ist γ der Brewster-Winkel.
In den folgenden Gleichungen ist "a" der
Abstand zwischen den Punkten A und B (AB), b = BC und c = CD. Außerdem bezeichnet
der Buchstabe A, wenn er sich nicht auf den Punkt A bezieht, die
Summe von a + b + c, d. h. den kürzesten
Abstand zwischen dem Sender
In
einem ersten, einfachsten Fall, der in praktischen Situationen selten
auftritt, ist die Linie, die die Ultraschallelemente
Die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes V22 oder Vt wird bestimmt als: wobei die Schallgeschwindigkeit des Knochens V18 oder Vb durch die folgende Gleichung bestimmt wird:The speed of sound of soft tissue V 22 or V t is determined as: wherein the speed of sound of the bone V 18 or V b is determined by the following equation:
Die Lösung ergibt:The solution results:
Es
sollte angemerkt werden, dass zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
des Knochens unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen
nicht nur h1 = h2 =
h3 = h4 gilt, sondern
außerdem τ1 = τ3. Infolge
von Änderungen
der Schallgeschwindigkeit im Weichgewebe, die sich aus Ungleichförmigkeiten
des Weichgewebes ergeben, ist das bei In-vivo-Messungen selten der
Fall. Eine der oben erwähnten
zwei Bedingungen kann jedoch gewöhnlich
eingehalten werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Sensor in einer Kippeinrichtung eingebettet. Eine derartige Kippeinrichtung
ist in dem oben erwähnten US-Patent
5.143.072 beschrieben. Die Kippeinrichtung wird längs einer
Achse, die den Sender
Ein
Spezialfall ist die Messung der Schallgeschwindigkeit des Oberschenkelknochens.
Die Oberflächengeometrie
des Oberschenkelknochens ist in seinen Abschnitten im Wesentlichen
nicht eben. Außerdem ist
die Dicke des über
dem Oberschenkelknochen liegenden Weichgewebes groß und liegt
in der Größenordnung
von 6 cm. Die Messungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens werden
vorzugsweise ausgeführt, wenn
der Sender
Wenn
die Verbindungslinie der Ultraschallelemente
Die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes V22 oder Vt wird unter Verwendung der folgenden Gleichungen bestimmt:The velocity of sound of soft tissue V 22 or V t is determined using the following equations:
Die
Schallgeschwindigkeit des Knochens wird unter Verwendung einer Gleichung,
die Gleichung (28) ähnlich
ist, bestimmt:
Die
exakte Länge
der unterschiedlichen Wegsegmente im Knochen
Die
Zweitens
kann der Sender/Empfänger
Die
Das
Ausführen
von lediglich einem dieser beiden Schritte ist jedoch ausreichend
für die
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Knochens. Die Entscheidung,
welcher Schritt ausgeführt
wird, erfolgt vorzugsweise anhand der Konfiguration von Sender/Empfänger
In
dem Schritt, der in
- (a) die Dicke des Gewebes
22 unter dem Sender/Empfänger82 ; - (b) die Dicke des Gewebes
22 unter dem Sender/Empfänger84 ; und - (c) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender/Empfänger
82 zum Sender/Empfänger84 .
- (a) the thickness of the fabric
22 under the transmitter / receiver82 ; - (b) the thickness of the fabric
22 under the transmitter / receiver84 ; and - (c) the propagation time of a signal from the transceiver
82 to the transmitter / receiver84 ,
Diese
Messungen sind ausreichend für
die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes und für die Bestimmung
von Änderungen
der Dicke des Gewebes
In
dem Schritt, der in
- (a) die Dicke des Gewebes
22 unter dem Sender/Empfänger82 ; - (b) die Dicke des Gewebes
22 unter dem Sender/Empfänger84 ; - (c) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender
80 zum Sender/Empfänger82 ; und - (d) die Ausbreitungszeit eines Signals vom Sender/Empfänger
84 zum Empfänger86 .
- (a) the thickness of the fabric
22 under the transmitter / receiver82 ; - (b) the thickness of the fabric
22 under the transmitter / receiver84 ; - (c) the propagation time of a signal from the transmitter
80 to the transmitter / receiver82 ; and - (d) the propagation time of a signal from the transceiver
84 to the recipient86 ,
Diese
Messungen sind ausreichend für
die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes und für die Bestimmung
von Änderungen
der Dicke des Gewebes
Es
sollte angemerkt werden, dass die Messungen, die in dem in
Die geringen Abmessungen des minimal erforderlichen Knochenwegsegments ermöglicht eine Abtastung mit einer hohen räumlichen Auflösung unter Verwendung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Um z. B. die Schallgeschwindigkeit in einem Abschnitt des Kortex eines Zahns zu messen, kann ein 10 MHz-Ultraschallimpuls verwendet werden. Infolge der hohen Frequenz des Ultraschalls können die Sensorabmessungen in der Größenordnung von 3 mm liegen, wobei die Auflösung kleiner als 1 mm ist.The small dimensions of the minimum required bone pathway segment allows a sample with a high spatial resolution using the embodiments of the present invention. To z. B. the speed of sound in Measuring a section of the cortex of a tooth may involve a 10 MHz ultrasonic pulse be used. Due to the high frequency of the ultrasound, the Sensor dimensions of the order of magnitude of 3 mm, with the resolution is less than 1 mm.
Die
- (a) Übertragungszeit
vom Sender
90 zu einem Sender/Empfänger92 ; - (b) Übertragungszeit
vom Sender/Empfänger
92 zu einem Sender/Empfänger96 ; - (c) Übertragungszeit
vom Sender/Empfänger
96 zum Empfänger98 ; - (d) Dicke des unter einem Sender/Empfänger
94 liegenden Gewebes22 ; und - (e) Übertragungszeit
vom Sender
90 zum Empfänger98 .
- (a) Transmission time from the transmitter
90 to a transmitter / receiver92 ; - (b) Transmission time from transmitter / receiver
92 to a transmitter / receiver96 ; - (c) Transmission time from transmitter / receiver
96 to the recipient98 ; - (d) thickness of under a transmitter / receiver
94 lying tissue22 ; and - (e) transmission time from the transmitter
90 to the recipient98 ,
- (a) Übertragungszeit
vom Sender/Empfänger
92 zu Sender/Empfänger96 ; - (b) Dicke des unter einem Sender/Empfänger
92 liegenden Gewebes22 ; - (c) Dicke des unter einem Sender/Empfänger
94 liegenden Gewebes22 ; - (d) Dicke des unter einem Sender/Empfänger
96 liegenden Gewebes22 ; und - (e) Übertragungszeit
vom Sender
90 zum Empfänger98 .
- (a) Transmission time from transmitter / receiver
92 to transmitter / receiver96 ; - (b) thickness of under a transmitter / receiver
92 lying tissue22 ; - (c) thickness of under a transmitter / receiver
94 lying tissue22 ; - (d) thickness of under a transmitter / receiver
96 lying tissue22 ; and - (e) transmission time from the transmitter
90 to the recipient98 ,
Dadurch
wird die Dicke des Gewebes
Die
Sender/Empfänger
Die
- (a) die Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes wird separat
für jeden
Bereich bestimmt; in dem sich das Signal
durch das Gewebe
22 fortbewegt; - (b) die Dicke des Gewebes
22 wird an dem Punkt gemessen, an dem das Signal in den Knochen18 eintritt; und - (c) der Weg des Signals fällt mit dem Weg zusammen, der für Signale zum Messen der Schallgeschwindigkeit des Weichgewebes verwendet wird.
- (a) the speed of sound of the soft tissue is determined separately for each area ; in which the signal passes through the tissue
22 traveling; - (b) the thickness of the fabric
22 is measured at the point where the signal enters the boneeighteen entry; and - (c) the path of the signal coincides with the path used for signals to measure the speed of sound of the soft tissue.
Wie
erkannt werden kann, werden die Sender/Empfänger vorzugsweise in der Weise
angeordnet, die in
Vorzugsweise
werden zwei unabhängige
Messvorgänge
ausgeführt.
Ein erster Vorgang, der in dem Bereich nahe am Sender
- (a) Messen der Ausbreitungszeit für ein Signal
vom Sender
110 zum Sender/Empfänger114 (wobei der Sender/Empfänger114 lediglich ein Empfänger zu sein braucht); - (b) Messen der Dicke des unter dem Sender/Empfänger
112 liegenden Gewebes22 ; und - (c) Berechnen der Dicke des Gewebes
22 und seiner Schallgeschwindigkeit in dem Bereich nahe am Sender110 unter Verwendung von (a) und (b).
- (a) measuring the propagation time for a signal from the transmitter
110 to the transmitter / receiver114 (where the transmitter / receiver114 just to be a recipient); - (b) measuring the thickness of under the transmitter / receiver
112 lying tissue22 ; and - (c) calculating the thickness of the fabric
22 and its speed of sound in the area near the transmitter110 using (a) and (b).
Der
zweite Vorgang ist sehr ähnlich
und wird im Bereich nahe am Empfänger
- (a) Messen der Ausbreitungszeit für ein Signal
vom Sender/Empfänger
116 zum Empfänger120 (wobei der Sender/Empfänger116 lediglich ein Sender zu sein braucht); - (b) Messen der Dicke des unter dem Sender/Empfänger
118 liegenden Gewebes22 ; und - (c) Berechnen der Dicke des Gewebes
22 und seiner Schallgeschwindigkeit in dem Bereich nahe am Empfänger120 unter Verwendung von (a) und (b).
- (a) measuring the propagation time for a signal from the transceiver
116 to the recipient120 (where the transmitter / receiver116 only one transmitter needs to be); - (b) measuring the thickness of under the transmitter / receiver
118 lying tissue22 ; and - (c) calculating the thickness of the fabric
22 and its speed of sound in the area near the receiver120 using (a) and (b).
In
den Ausführungsformen,
die in den
In
den oben beschriebenen Ausführungsformen
sendet und empfängt
ein Sender/Empfänger,
wie etwa der Sender/Empfänger
Die
Bei
der Konfiguration von
- (a) Messen der Signalausbreitungszeit
von einem Sender
150 zu einem Sender/Empfänger156 ; - (b) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender/Empfänger
152 zu einem Empfänger164 ; - (c) Messen der Signalausbreitungszeit von einem Sender
154 zum Sender/Empfänger152 ; - (d) Messen der Signalausbreitungszeit vom Sender/Empfänger
156 zum Empfänger160 ; und - (e) Messen der Signalausbreitungszeit zwischen dem Sender
150 und dem Empfänger164 .
- (a) Measure the signal propagation time from a transmitter
150 to a transmitter / receiver156 ; - (b) measuring the signal propagation time from a transmitter / receiver
152 to a receiver164 ; - (c) measuring the signal propagation time from a transmitter
154 to the transmitter / receiver152 ; - (d) measuring the signal propagation time from the transceiver
156 to the recipient160 ; and - (e) measuring the signal propagation time between the transmitter
150 and the receiver164 ,
Die
Schallgeschwindigkeit des Knochens
Die Messung der Schallgeschwindigkeit von Knochen hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Eine erste Anwendungsmöglichkeit ist das Finden von Frakturen und Verformungen in Knochen. Wenn ein Knochen überbelastet oder gebrochen ist (auch eine Haarlinienfraktur, die auf Röntgenbildern kaum erkennbar ist), ändert sich seine Schallgeschwindigkeit merklich an den Stellen, die die Fraktur umgeben. Wegen der hohen Auflösung von einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ebenfalls Frakturen in den Handgelenkknochen identifiziert werden, wobei Vorrichtungen des Standes der Technik zu einer derartigen Unterscheidung nicht in der Lage sind.The Measuring the speed of sound of bones has many uses. A first application possibility is the finding of fractures and deformations in bones. When a Bones overloaded or is broken (also a hairline fracture on x-rays barely recognizable) changes its speed of sound noticeable in the places that the fracture surround. Because of the high resolution of some embodiments of the present invention fractures in the wrist bones are also identified, whereby prior art devices become such Distinction are not able.
Eine zweite Anwendungsmöglichkeit ist die Abschätzung des Knochens und von Teilen davon, um das Fehlen von Mineralen in dem Knochen auf Grund von Knochenerkrankungen, Osteoporose und einer Umgebung mit geringer Schwerkraft zu bestimmen. Es sollte angemerkt werden, dass die Geschwindigkeit hauptsächlich vom Young-Modul abhängt, d. h. je geringer die Geschwindigkeit ist, desto schwächer ist der Knochen.A second application is the estimate of the bone and parts thereof, to the absence of minerals in the bone due to bone disease, osteoporosis and a To determine the environment with low gravity. It should be noted be that the speed mainly depends on the Young's modulus, d. H. the lower the speed, the weaker it is the bone.
Eine dritte Anwendungsmöglichkeit ist die graphische Darstellung des Heilungsprozesses eines gebrochenen Knochens. Die gewöhnliche Praxis besteht darin, den beschädigten Knochen im Gips zu halten, bis eine vorgegebene Zeitperiode abgelaufen ist. Einige Patienten benötigen jedoch eine längere bzw. eine kürzere Heilungsperiode. Röntgenstrahlaufnahmen zeigen gewöhnlich nicht genügend Einzelheiten, um die Festigkeit des Knochens zu bewerten. Durch Messen und Darstellen von Änderungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens kann ein Arzt den Zustand einer Knochenwiederherstellung genauer einschätzen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein kleines Loch in den Gips gebohrt und die Schallgeschwindigkeit des Knochens wird gemessen, ohne den Gips zu entfernen. Bei einigen Patienten ist es vorteilhaft, Änderungen der Schallgeschwindigkeit des Knochens an gegenüberliegenden Gliedmaßen zu vergleichen.A third application is the graphical representation of the healing process of a broken bone. The common practice is to hold the damaged bone in the plaster until a predetermined period of time has elapsed. However, some patients require a longer or shorter healing period. X-ray images usually do not show enough detail to evaluate the strength of the bone. By measuring and displaying changes in the speed of sound of the bone, a physician can more accurately assess the condition of a bone restoration. In a preferred embodiment, a small hole is drilled in the plaster and the speed of sound of the bone is measured without removing the plaster. In some patients, it is beneficial to change the Compare the speed of sound of the bone on opposite limbs.
Eine
vierte Anwendungsmöglichkeit
der Erfindung ist das Messen der Dicke des Kortex des Knochens.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schätzt
eine Steuereinheit
Die genaue Form der Kurve ändert sich mit dem Werkstoff, der gemessen wird. Es ist jedoch durch die gegenwärtigen Erfinder festgestellt worden, dass die Form der Kurve für menschliche Knochen näherungsweise konstant ist.The exact shape of the curve changes with the material being measured. It is, however, by the current Inventors have found that the shape of the curve for human Bone approximately is constant.
Die
Geschwindigkeit Vt in der Kurve von
Es
wird angemerkt, dass die Kurve einen Bereich
Um
die Dicke (D – d)/2
für einen
Knochen
Die
Reaktion auf das hochfrequente Eingangssignal, das eine niedrige
Wellenlänge λ besitzt,
ergibt einen Geschwindigkeits-Datenpunkt
Die
Reaktion auf das niederfrequente Eingangssignal ergibt einen Geschwindigkeits-Datenpunkt
Es
sollte anerkannt werden, dass die oben beschriebene vierte Verwendung
zweckmäßiger ist,
wenn statt der Verwendung von Verfahren des Standes der Technik
das Verfahren der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Knochen
verwendet wird. Hochfrequenzsignale werden sehr schnell gedämpft, wenn
sie sich durch Knochenmaterial bewegen. Daher sind nur dann, wenn
der Weg im Knochen
Es sollte erkannt werden, dass das oben beschriebene Verfahren zum Aussenden eines einzelnen Breitbandsignals an Stelle von zwei Signalen mit spezifischer Frequenz bei Verfahren des Standes der Technik zum Bestimmen der Knochendicke angewendet werden kann, wie etwa die Verfahren, die im US-Patent 5.143.072 gezeigt sind.It It should be recognized that the method described above for Emitting a single wideband signal instead of two signals with specific frequency in prior art methods for Determining the bone thickness can be applied, such as the Method described in US Patent 5,143,072 are shown.
Es
erfolgt nun eine Bezugnahme auf die
Bei
dieser Ausführungsform
wird ein Sensor, das aus einer Anordnung von Ultraschallsender-/Empfängerzellen
Wie
in
Der
Multiplexer
Die
einzelnen Zellen der Anordnung
Ein erstes bevorzugtes Betriebsverfahren besteht darin, Zellen und Gruppen aus Zellen auszuwählen, die die Funktionalität der oben beschriebenen Ausführungsformen näherungsweise ausführen. Dadurch kann eine optimale Platzierung von Sender/Empfängern erreicht werden, ohne Ultraschallelemente zu bewegen.One The first preferred method of operation is cells and groups to select from cells that the functionality the embodiments described above approximately To run. As a result, an optimal placement of transceivers can be achieved be moved without ultrasonic elements.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein aus zwei Schritten bestehendes Verfahren
verwendet, um die Konfiguration der Anordnung
- (a)
Bestimmen der Dicke des darunter liegenden Weichgewebes
22 ; und - (b) Konfigurieren der Anordnung
450 als Sender, Empfänger und Sender/Empfänger, zwischen denen sich optimale Abstände befinden, die anhand der bestimmten Dicke des Weichgewebes22 berechnet werden.
- (a) Determine the thickness of the underlying soft tissue
22 ; and - (b) Configure the arrangement
450 as transmitter, receiver and transmitter / receiver, between which there are optimal distances, based on the determined thickness of the soft tissue22 be calculated.
Ein
Ultraschallsensor umfasst alternativ einen oder mehrere Sender und/oder
Empfänger
sowie eine Zellenanordnung. Die Zellenanordnung ist so konfiguriert,
dass sie an Stelle einiger, jedoch nicht aller Ultraschallelemente,
die in den oben genannten Ausführungsformen
beschrieben wurden, verwendet wird. In der Ausführungsform von
Ein
zweites bevorzugtes Betriebsverfahren bildet Knochen und Weichgewebe
durch das Betreiben von unterschiedlichen Zellen der Anordnung
Es sollte angemerkt werden, dass viele Verfahren des Standes der Technik zum Bestimmen der Schallgeschwindigkeit von Knochen einen ungenauen Schätzwert für die Werte von Weichgewebedicke und Weichgewebegeschwindigkeit verwenden. Wenn eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um genauere Werte für Dicke und Geschwindigkeit des Weichgewebes zu bestimmen, liefern diese Verfahren des Standes der Technik genauere Ergebnisse.It It should be noted that many methods of the prior art to determine the speed of sound of bones an inaccurate estimated value for the Use values of soft tissue thickness and soft tissue velocity. If an embodiment The present invention uses more accurate values for thickness and to determine soft tissue velocity, these methods provide the prior art more accurate results.
Außerdem ist die Weichgewebegeschwindigkeit nützlich für die Bestimmung des Wasser-, Fett- und Muskelanteils des Gewebes. Dadurch kann die Dehydrierung und die Rehydrierung eines Patienten analysiert werden, indem die Weichgewebegeschwindigkeit in einem ausgewählten Teil des Körpers des Patienten über eine Zeitperiode gemessen wird. Das Muskel/Fett-Verhältnis des Gewebes kann bestimmt werden, wenn der Wassergehalt des Gewebes bekannt ist, oder durch Mittelwertbildung mehrerer Ergebnisse, die aufgenommen werden, bevor und nachdem ein Patient Wasser trinkt.Besides that is the soft tissue velocity useful for the Determination of water, fat and muscle content of the tissue. Thereby Dehydration and rehydration of a patient can be analyzed by adjusting the soft tissue velocity in a selected part of the body of the patient over one Time period is measured. The muscle / fat ratio of the tissue can be determined when the water content of the tissue is known, or by Averaging multiple results that will be recorded before and after a patient drinks water.
Wenn die menschliche weibliche Brust abgetastet wird, kann die Luft/Gewebe-Grenzfläche als eine Reflexionsebene verwendet werden. Die Brust wird vorzugsweise gegen eine elastische Form gedrückt, so dass sie sich während der Bilderzeugung nicht bewegt.If The human female breast is scanned, the air / tissue interface as a reflection plane can be used. The breast is preferably pressed against an elastic shape, so they are during the image does not move.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Abtasten unter Verwendung einer Zellenanordnung ausgeführt, wie oben beschrieben wurde. Die Abtastungen umfassen vorzugsweise Abtastungen des gleichen Weichgewebes aus mehreren Richtungen, so dass ein Geschwindigkeitsbild des Gewebes vorzugsweise unter Verwendung von tomographischen Verfahren rekonstruiert werden kann.In a preferred embodiment According to the present invention, the scanning is performed using a Cell arrangement executed, as described above. The samples preferably comprise Samples of the same soft tissue from several directions, so that a velocity image of the tissue is preferably using can be reconstructed by tomographic methods.
Die
Eine
Vorrichtung zur Weichgewebe-Bilderzeugung kann nur zwei Sender/Empfänger enthalten,
wie oben unter Bezugnahme auf Verfahren zur Bestimmung der Weichgewebegeschwindigkeit
beschrieben wurde. Eine derartige Vorrichtung umfasst jedoch vorzugsweise
mehrere Ultraschallelemente und vorzugsweise eine Anordnung, wie
etwa die Anordnung
Eine einzelne Messung ist in einigen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lediglich 2,5 ms lang, was schneller ist als die meisten Körperrhythmen. Mehrere Messungen, im Verlauf eines Körperrhythmus aufgenommen werden, können verwendet werden, um den Einfluss des Körperrhythmus auf die Messung zu messen.A single measurement is merely in some preferred embodiment of the invention 2.5 ms, which is faster than most body rhythms. Several measurements, taken in the course of a body rhythm can, can used to measure the influence of body rhythm on the measurement to eat.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen wurden in Bezug auf einen Knochen, der von Weichgewebe umgeben ist, beschrieben. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass diese Ausführungsformen ebenfalls nützlich sind für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften einer allgemeinen Struktur, die von einem schichtförmigen Werkstoff umgeben ist, der eine geringere Schallgeschwindigkeit besitzt. Das betrifft z. B. Metallklammern, die in Gummi eingeschlossen sind.The Embodiments described above were related to a bone that is surrounded by soft tissue, described. However, one skilled in the art will recognize that these embodiments also useful are for the determination of the mechanical properties of a general Structure covered by a layered Material is surrounded, which has a lower speed of sound has. This concerns z. B. metal clips enclosed in rubber are.
Wie oben beschrieben wurde, werden die Schallgeschwindigkeiten in einer zweilagigen Struktur bestimmt. Es sollte erkannt werden, dass die Schallgeschwindigkeiten in einer mehrlagigen Struktur unter der Voraussetzung bestimmt werden können, dass die Lagen sich in einer ansteigenden Reihenfolge der Schallgeschwindigkeiten befinden. Wenn z. B. eine schnelle Lage mit einer langsamen Lage bedeckt ist und diese weiter mit einer sehr langsamen Lage bedeckt ist, wird zuerst die Schallgeschwindigkeit der sehr langsamen Lage bestimmt, dann die der langsamen Lage und anschließend die der schnellen Lage bestimmt. Jede ermittelte Geschwindigkeit wird für die Bestimmung der Geschwindigkeiten in der nächsten Lage verwendet. Wenn jedoch die langsame Lage und die schnelle Lage vertauscht sind, ist die langsame Lage durch die schnelle Lage überdeckt und die Schallgeschwindigkeit der langsamen Lage kann nicht bestimmt werden.As has been described above, the sound velocities in one two-layered structure determined. It should be recognized that the Sound velocities in a multi-layered structure under the Condition can be determined that the layers are in an increasing order of sound velocities are located. If z. B. a fast position with a slow position is covered and this further covered with a very slow position is, the sound velocity of the very slow position is first determined then the slow location and then the fast location certainly. Each determined speed is used for determining the speeds in the next Location used. However, if the slow location and the fast location are reversed, the slow position is covered by the fast location and the speed of sound of the slow position can not be determined become.
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